基于三维聚吡咯微电极阵列结构的MEMS微型超级电容器研究

MEMS微型超级电容器具有体积小、功率大、瞬间响应速度快等显著优势，可有效满足微系统的高效能、多模式供电需求，是微能源发展的重要方向之一,但在微电极储能原理、设计加工方法等方面亟待深入研究。本研究重点围绕具有三维微电极结构的MEMS微型超级电容器新原理、新设计和新方法展开，通过研究微纳米尺度效应下基于"双电层-准电容复合储能效应"的储能新机理，研究基于三维聚吡咯微电极阵列的优化结构新设计和兼容性加工新工艺，实现微器件储能密度、放电功率及荷电能力等关键指标的有效提高。本项目突破了"双层电容储能"以及"二维平面电极结构"等传统观念，有望对微能源器件的基本原理、结构设计和加工方法提出新的观点。研究结论将为微型超级电容的研究提供理论依据，对于微储能器件乃至微能源的研究和发展具有重要的参考价值；同时可为实现MEMS系统的小型化、微型化，促进我国电子产品及装备的信息化和智能化起到积极推动作用。

MEMS微能源的涵义是指采用MEMS技术实现能量的获取与转换、存储与释放的微纳器件与系统，其特征尺寸在微米/纳米量级。电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所趋。微电子机械系统具有移动性、自控性、集成化等特点，是近年来最重要的技术创新之一。现有电源体积大、功率密度低、寿命短、可靠性差，不利于与微系统和电路集成、严重制约着高性能与微小型电子产品和装备的发展，而MEMS微能源具有小体积、长寿命、高能量密度、高可靠性、易于单片集成、低成本等显著优势，是高性能微能源发展的主要方向,是实现电子产品信息化、智能化与微型化亟待解决的核心基础技术，开展基于新机理、新结构、新方法的新型MEMS微型超级电容器深入研究具有其现实性和必要性。. 项目系统开展了微纳结构表面聚合物、氧化物功能薄膜制备方法的研究，创新性地发现了“微草”结构对于功能薄膜高效生长产生的特殊效应，突破了微电极表面能薄膜稳定快速生长的关键瓶颈，解决了碳纳米管等微观结构在功能薄膜内部的高度均匀分布这一关键技术难题，实现了真正意义上的“双电层电容”“赝电容”复合储能，为微纳结构表面功能薄膜的生长提供了全新思路。. 项目系统开展了微型储能器件设计方法研究，提出了双腔室结构微型超级电容器、微梳齿结构微型超级电容器、微阵列结构微型超级电容器设计方案，创新性地提出了微纳流道设计，解决了微结构加工与功能薄膜制备之间的工艺难以兼容的技术难题，为微型超级电容器的可靠加工与封装奠定了基础。. 项目系统开展了微纳结构加工工艺的研究，基于ICP刻蚀工艺、UV-LIGA工艺、微电铸工艺，加工了具有“微草”结构的高深宽比微阵列，加工了具有良好结构强度的高深宽比SU-8胶微流道，在此基础上实现了功能薄膜在微纳结构表面的高效、可控、稳定生长。项目基于上述微电极结构封装了微型超级电容器，测试了其储能密度、放电功率等关键指标，其中基于微阵列结构的微型超级电容器储能密度达到０．６４ｍJ/ｍｍ３, 功率密度达到１０mW/ｍｍ３. 本项目研究成果将为微型超级电容的深入研究提供理论依据，对于微储能器件乃至微能源的研究和发展具有重要的参考价值；同时可为实现MEMS系统的小型化、微型化，促进我国电子产品及装备的信息化和智能化起到积极推动作用。